Quy tắc định tuyến PCB: Các lựa chọn về độ rộng, khoảng cách và sản xuất quan trọng

Mỗi bo mạch định tuyến mà chúng tôi thấy ở nhà máy đều kể một câu chuyện về những quyết định được đưa ra trước khi nó đến. Sơ đồ xác định chức năng điện, nhưng việc định tuyến sẽ quyết định liệu chức năng đó có thể được sản xuất với chi phí hợp lý, trong thời gian thực hiện thực tế và có đủ biên độ để tồn tại trong nhiều năm chịu nhiệt, rung và căng thẳng về điện áp hay không. Theo kinh nghiệm của chúng tôi với tư cách là nhà sản xuất PCB, hầu hết các sự cố sản xuất có thể phòng ngừa được — vết cháy, khe hở không thành công, tấm bị cong vênh, lớp mạ kém — đều bắt nguồn từ một số quy tắc định tuyến bị bỏ sót hoặc hiểu sai. Bài viết này giải thích việc định tuyến bo mạch PC thực sự liên quan đến những gì, thông số nào quan trọng nhất và cách đặt các giới hạn định tuyến mà nhà máy thực sự có thể xây dựng mà không cần tranh cãi.

Việc định tuyến một bo mạch PC thực sự liên quan đến điều gì

Định tuyến là bước bố trí trong đó mọi lưới điện trong sơ đồ trở thành đường dẫn đồng vật lý. Phần mềm có thể tự động vẽ các đường dẫn đó, nhưng kết quả chỉ tốt như các ràng buộc mà nhà thiết kế đưa ra: chiều rộng vết, khoảng cách giữa các dây dẫn, các lớp được phép, thông qua các loại và sự phân bố đồng mà quá trình khắc và mạ sẽ thấy.

Tuyến đường này cũng tạo ra các mặt phẳng tham chiếu mặt đất, đảo điện và đường dẫn nhiệt giúp thiết kế hoạt động trong thế giới thực. Việc đặt các bộ phận quyết định vị trí của các bộ phận; định tuyến quyết định cách chúng kết nối. Giữa hai yếu tố này, việc định tuyến có ảnh hưởng lớn hơn đến chi phí và sản lượng sản xuất, bởi vì hình dạng vết và sự cân bằng đồng ảnh hưởng trực tiếp đến cách nhà máy khắc, tấm và cán mỏng bảng điều khiển.

Độ rộng dấu vết: Quyết định tuyến đường đầu tiên

Độ rộng vết là số đầu tiên được đặt vì nó đáp ứng ba yêu cầu cùng một lúc: công suất dòng điện, độ sụt áp và trở kháng đặc tính. Dấu vết tín hiệu có thể mỏng; lưới điện cần có mặt cắt ngang. Tham chiếu được hầu hết các nhà máy sử dụng là IPC-2221. Đối với đồng 1 oz (35 µm) trên lớp bên ngoài có nhiệt độ tăng 10°C, công suất dòng điện ước tính gần như như sau.

Hai sự điều chỉnh quan trọng trong thực tế. Các vết trên các lớp bên trong tiêu hao lượng nhiệt gần bằng một nửa so với các vết bên ngoài, do đó, bảng hiện tại phải được giảm bớt tương ứng. Và những giá trị này giả định mức tăng khiêm tốn là 10°C; nếu vỏ bọc xung quanh chặn luồng không khí hoặc nhiệt độ môi trường cao, dòng điện an toàn sẽ giảm hơn nữa. Khi thiết kế phải mang dòng điện cao liên tục, tuyến đường nên sử dụng lớp đồng, mặt phẳng hoặc lớp đồng dày hơn thay vì một đường hẹp duy nhất. Dây chuyền của chúng tôi thường xuyên định tuyến các tấm đồng dày từ 2 oz đến 10 oz và bảng chiều rộng vết cho các trọng lượng đó trông rất khác so với các giá trị 1 oz ở trên.

Khoảng trống và khoảng cách: Đặt chúng cho điện áp, không chỉ để kiểm tra quy tắc thiết kế

Khoảng trống là khoảng cách giữa hai tính năng đồng: dấu vết đến dấu vết, dấu vết đến đệm, đệm đến xuyên qua. Việc kiểm tra quy tắc thiết kế sẽ xác minh bất kỳ số nào được nhập vào công cụ CAD, nhưng con số phù hợp đến từ điện áp, tính toàn vẹn tín hiệu và khả năng xuất xưởng chứ không phải từ quy tắc mặc định. Đối với lưới tín hiệu điện áp thấp bên trong một sản phẩm kèm theo, khoảng cách 0,1 mm (4 mil) giữa các dấu vết là phổ biến; khả năng tiêu chuẩn của chúng tôi là 4 triệu và chúng tôi có thể lưu giữ 3 triệu dấu vết và không gian nơi mật độ thiết kế yêu cầu.

Giải phóng mặt bằng không nên là một giá trị toàn cầu duy nhất. Điện áp làm việc, mức độ ô nhiễm, lớp phủ, độ cao và điện áp quá độ đều ảnh hưởng đến khoảng cách đường rò mà sản phẩm cần. IPC-2221B chứa các bảng khoảng cách so với điện áp mà các kỹ sư tuân thủ sử dụng; như một quy tắc thực tế, bất kỳ lưới nào mang điện áp lớn hơn 50 V hoặc bất kỳ dấu vết nào được định tuyến gần mép bảng đều phải sử dụng khe hở lớn hơn đáng kể so với quy tắc thiết kế mặc định.

Đối với tín hiệu tốc độ cao, khoảng cách điều khiển cả khớp nối và trở kháng. Một cặp vi sai phù hợp chỉ giữ trở kháng mục tiêu của nó khi khoảng cách giữa hai dấu vết không đổi và mặt phẳng tham chiếu bên dưới quan trọng hơn giá trị khe hở tuyệt đối. Đối với mạch RF, đường 50 Ω được xác định bởi chiều rộng, độ dày điện môi và khoảng cách đến mặt phẳng đất bên dưới nó.

Xếp chồng lớp: Mật độ định tuyến thúc đẩy chi phí và thời gian thực hiện

Số lớp là quyết định định tuyến lớn nhất mà một thiết kế đưa ra. Nếu hai lớp có thể xử lý được mật độ thì việc xếp chồng sáu lớp sẽ lãng phí tiền bạc. Nếu thiết kế cần nguồn điện liên tục và mặt đất, kiểm soát trở kháng chặt chẽ hoặc quạt ra BGA dày đặc, thì việc xếp chồng sẽ chuyển sang bốn, sáu hoặc nhiều lớp. Việc chuyển từ hai lớp lên bốn lớp sẽ làm tăng gần gấp đôi chi phí xử lý vì các bước tạo ảnh, cán màng, căn chỉnh và khoan bổ sung của lớp bên trong được thêm vào lộ trình. Thời gian thực hiện cũng tăng theo số lớp. Tại cơ sở của chúng tôi ở Khu Phát triển Kinh tế Quảng Đức, thời gian sản xuất được công bố theo số lớp như sau.

Tuyến đường thiết lập ngăn xếp và ngăn xếp thiết lập ngày giao hàng. Nếu một thiết kế chỉ cần 12 lớp vì các lớp tín hiệu bên ngoài ít được sử dụng thì tuyến đường bốn lớp sạch hơn sẽ xuất hiện trong thời gian ngắn. Nhà máy của chúng tôi xây dựng từ 1 đến 32 lớp và mô hình nhất quán: định tuyến hiệu quả rút ngắn thời gian thực hiện một cách đáng tin cậy hơn bất kỳ khoản phí xúc tiến nào.

Quy tắc DFM: Định hướng cho Nhà máy khắc, tấm và tấm cán mỏng

Tuyến đường vượt qua danh sách mạng và kiểm tra tín hiệu vẫn có thể bị lỗi trên sàn nhà máy. Bảng phải được khắc, khoan, mạ và ép, và mỗi quy trình đều có giới hạn hình học. Các quy tắc sau đây ngăn chặn những lỗi lặp lại phổ biến nhất.

Cân bằng đồng và trộm cắp

Khi một khu vực của một lớp được đổ đặc và một khu vực khác gần như trống rỗng, độ dày lớp mạ trở nên không đồng đều và việc cán màng có thể làm cong tấm. Định tuyến tốt sẽ phân phối đồng trên mọi lớp; nếu không thể, hãy thêm khối ăn trộm hoặc đồng nở chéo. Nhóm CAM của chúng tôi bổ sung tính năng chống trộm trong quá trình gia công nhưng thiết kế được định tuyến mang lại sự cân bằng giúp quá trình xem xét nhanh hơn và các tấm đồng đều hơn.

Vias và vòng hình khuyên

Mỗi via đều cần một vòng hình khuyên: vòng đồng xung quanh lỗ khoan nối thùng với dấu vết. Nếu vòng quá nhỏ, việc đăng ký sai mũi khoan sẽ làm đứt kết nối. Vòng hình khuyên tối thiểu 4 triệu (0,1 mm) là quy tắc làm việc an toàn để xử lý tiêu chuẩn. Vias mù và chôn làm giảm số lượng lớp trong các thiết kế dày đặc, nhưng mỗi loại vias bổ sung thêm các bước khoan và cán màng; via-in-pad, hữu ích trong BGA, yêu cầu đổ đầy và mạ bổ sung. Các bảng HDI có microvia tạo thành một dòng quy trình riêng biệt mà dòng HDI của chúng tôi cung cấp trong vòng 25 ngày.

Giảm nhiệt

Khi một miếng đệm xuyên lỗ kết nối với một khối đồng lớn, khối đổ này đóng vai trò như một bộ tản nhiệt trong quá trình hàn. Nếu không có nan hoa giảm nhiệt, miếng đệm có thể không đạt đến nhiệt độ hàn. Định tuyến các miếng đệm được kết nối với mặt phẳng có tấm chắn nhiệt ở bất kỳ nơi nào mà định mức hiện tại cho phép.

Danh sách kiểm tra định tuyến thực tế cần chạy trước khi gửi tệp:

• Kích thước đường theo dõi nguồn và dòng điện để duy trì dòng điện trong trường hợp xấu nhất, không phải cho tải thông thường.
• Sử dụng các quy tắc giải phóng mặt bằng cho mỗi lớp mạng; các mạng tín hiệu điện áp cao, tốc độ cao và chung hiếm khi cần khoảng cách giống nhau.
• Giữ sự phân bố đồng đều trên mỗi lớp một cách hợp lý và thêm tính năng ăn trộm vào các lớp hầu hết trống.
• Xác nhận dấu vết/khoảng trống tối thiểu, vòng hình khuyên tối thiểu và kích thước mũi khoan tối thiểu với nhà máy trước khi hoàn thiện tuyến đường.
• Đặt một mặt phẳng tham chiếu vững chắc dưới mỗi tuyến đường có tốc độ cao hoặc được kiểm soát trở kháng.

Vật liệu và hoàn thiện bề mặt làm thay đổi quy tắc định tuyến

Chất nền và lớp hoàn thiện thay đổi các thông số định tuyến giống như mạch điện. Tiêu chuẩn FR-4 xử lý tốt các bo mạch kỹ thuật số và analog nói chung. High-Tg FR-4 chống lại hư hỏng CAF trong các bo mạch nhiều lớp dày và thường gặp trong thiết bị điện tử ô tô; FR-4 không chứa halogen đáp ứng các yêu cầu về môi trường; Các tấm tần số cao có Dk và Df được kiểm soát được sử dụng cho RF và kỹ thuật số tốc độ cao, đồng thời độ rộng vết cần thiết cho đường truyền 50 Ω thay đổi theo từng vật liệu.

Các tấm lõi kim loại - đế nhôm hoặc đồng - dẫn nhiệt qua chất nền, do đó các mạch điện có thể sử dụng các tuyến đường hẹp hơn, nhưng việc khoan và khắc lõi kim loại tuân theo các quy tắc thiết kế khác nhau. Dòng sản phẩm của chúng tôi bao gồm các bảng FR-4, Tg cao, không halogen, tần số cao, đế nhôm, đế đồng và gốm, với các bề mặt hoàn thiện như OSP, HASL không chì, vàng ngâm và thiếc ngâm. Lựa chọn lớp hoàn thiện chủ yếu ảnh hưởng đến khả năng hàn và thời hạn sử dụng, do đó, nó phải phù hợp với quy trình lắp ráp thay vì được xử lý như một bước suy nghĩ sau.

Con đường luôn chú trọng đến việc sản xuất

Định tuyến là nơi thiết kế trở thành một đối tượng vật lý và đối tượng đó được đánh giá bởi một nhà máy. Các bo mạch được giao hàng đúng thời hạn và hoạt động đáng tin cậy hiếm khi là sản phẩm của cài đặt bộ định tuyến tự động thông minh; chúng là sản phẩm của các chiều rộng vết được định cỡ cho dòng điện, khoảng hở được đặt cho điện áp, các ngăn xếp được chọn theo mật độ và các chi tiết DFM được tôn trọng từ lần bố trí đầu tiên. Khi nghi ngờ, hãy hỏi sớm: nguyên mẫu hai mặt từ nhà máy của chúng tôi có thể hoàn thành trong 24 giờ và một lần lặp lại nhanh có chi phí thấp hơn nhiều so với lô 16 lớp không đạt thử nghiệm điện do lỗi khoảng cách. Nếu bạn cần đề xuất xếp chồng, đánh giá DFM hoặc báo giá cho bảng định tuyến từ 1 đến 32 lớp, nhóm kỹ thuật của chúng tôi sẵn sàng trả lời cụ thể.